高爐煤氣噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

朱亞同

（寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海201900）

高爐煤氣噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

朱亞同

（寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海201900）

敘述了利用噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)對鋼鐵企業(yè)中高爐煤氣進(jìn)行降溫的工程應(yīng)用。介紹了相關(guān)的工作原理、工藝流程、工藝特點，給出了實際的技術(shù)方案。

高爐煤氣；噴霧；蒸發(fā)冷卻；雙流體

1 概述

從節(jié)能環(huán)保的趨勢來說，鋼鐵企業(yè)煉鐵高爐系統(tǒng)普遍采用干法布袋除塵系統(tǒng)，輸出的高爐煤氣最高溫度可達(dá)200℃，超出了煤氣柜的承受溫度，需要采取冷卻措施將煤氣冷卻到煤氣柜要求的溫度。

以下闡述蒸發(fā)冷卻的原理及在實際工程中利用噴霧蒸發(fā)冷卻對高爐煤氣進(jìn)行冷卻的應(yīng)用案例。

2 蒸發(fā)冷卻工藝

2.1 雙流體噴霧蒸發(fā)冷卻工作原理

雙流體噴霧蒸發(fā)冷卻的原理是：同時供水和氮氣，在噴嘴內(nèi)，水和氮氣經(jīng)過高速切割作用，霧化成微米級的小液滴，強制噴射到被冷卻氣體中，吸收氣體中的顯熱后蒸發(fā)汽化，在核態(tài)沸騰以及兩次成核等機理的共同作用下，達(dá)到冷卻的作用。霧化顆粒非常小，平均粒徑為50～70 μm，確保100%蒸發(fā)。

2.2 噴嘴特性及其控制

雙流體噴霧蒸發(fā)冷卻的核心技術(shù)是噴嘴特性及其精確控制，目前國內(nèi)已充分掌握這項技術(shù)。

噴嘴設(shè)計的考慮因素有：射流速度、水氣配比、噴射壓力、噴射角度等。

射流速度增加時，會加速氣霧之間的混合程度，增加接觸面積，提高換熱效率，但如果流速太大，也會引起系統(tǒng)阻力過大，接觸時間過短，而降低換熱效果。

水氣配比影響了液滴的形成和粒徑分布，合適的配比可以更好地對水進(jìn)行分割，相對增加換熱面積，提高換熱效果。

噴射壓力加大時，增加噴霧的流量，但是會影響噴嘴的使用壽命。

噴射角度的設(shè)計要考慮到噴霧的覆蓋面積大，在不濕底不濕壁的前提下充分有效換熱。

3 應(yīng)用案例

以八鋼南疆基地項目為例，煉鐵高爐系統(tǒng)采用了干法布袋除塵系統(tǒng)，輸出的高爐煤氣溫度為200℃，超出了煤氣柜的承受溫度，設(shè)計在進(jìn)柜前設(shè)置雙流體噴霧蒸發(fā)冷卻裝置，將煤氣冷卻到煤氣柜設(shè)備要求的溫度。

3.1 技術(shù)方案

高爐煤氣由外部管網(wǎng)送來，壓力為＞12 kPa，煤氣總管管徑為DN2600，進(jìn)柜區(qū)的高爐煤氣先經(jīng)過自動噴霧冷卻裝置，最大處理能力為200000 m3/h。

氮氣霧化水噴霧冷卻系統(tǒng)，設(shè)2組噴頭，前后設(shè)溫度計，通過入口煤氣溫度控制噴淋水量，將出口煤氣溫度控制在55℃以下。按最大流量200000 m3/h，最高溫度200℃設(shè)計。

外部供水壓力為0.6 MPa，滿足噴霧冷卻裝置的要求，可直接使用外部供水供應(yīng)噴淋冷卻裝置。

系統(tǒng)工作時，冷卻水自水源水箱經(jīng)過過濾器過濾后由水泵升壓到一定的壓力，經(jīng)出口管路送到噴

槍，在壓縮氮氣的作用下霧化，產(chǎn)生非常細(xì)小的霧化顆粒，水霧在高溫煤氣中迅速蒸發(fā)，吸收煤氣的大量熱量，使煤氣溫度迅速降低到設(shè)定的溫度以下。

圖1為立面布置設(shè)計圖。

3.2 工藝流程

系統(tǒng)流程框圖如圖2所示。

圖 1噴霧蒸發(fā)冷卻裝置立面布置圖

圖2 噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流程圖

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)構(gòu)型式：管道式；

接點壓力：＞12 kPa；

處理煤氣量：2萬m3/h；

入口溫度：150～250℃；

出口溫度：≤55℃；

系統(tǒng)阻力：＜0.2 kPa；

氣霧噴槍個數(shù)：3支×2組；

冷卻水溫度：～35℃；

總水量：25 t/h（MAX）；

水質(zhì)：工業(yè)水；

供水壓力：0.4 MPa（地面）；

氮氣流量：840 m3/h（連續(xù)使用MAX）；

氮氣壓力：0.6 MPa（泵站前接點壓力）；

管道長度：～25 m；

管道直徑：外徑2620 mm，厚度10 mm；

主要材質(zhì)：Q235B（管道）；316L（噴嘴）；

設(shè)備總重：～1.2 t；

設(shè)備防護(hù)等級：IP54。

3.4 系統(tǒng)組成

3.4.1 噴霧執(zhí)行系統(tǒng)

噴霧執(zhí)行系統(tǒng)由6支雙流體噴槍和1只分組控制箱組成。沿著煤氣流向分兩組布置在不同的位置點，每組噴槍之間相距15 m左右。

第一組3支噴槍當(dāng)系統(tǒng)啟動時，處于常噴狀態(tài)。

第二組3支噴槍配備一套分組控制箱，分組控制箱能獨立控制每支噴槍的開啟和關(guān)斷，系統(tǒng)會根據(jù)煤氣降溫需要自動選擇開啟或關(guān)閉。分組控制箱內(nèi)選用具有防爆功能的電磁閥。

噴槍的參數(shù)如下：

材質(zhì)：316L不銹鋼；

噴霧水量：3.6 m3/h（單支）；6.0 m3/h（單支）；噴槍工作壓力范圍：氣壓0.4～0.5 MPa；水壓0.3～0.7 MPa。

3.4.2 水路系統(tǒng)

水路系統(tǒng)主要由過濾器、離心水泵、壓力開關(guān)、氣動球閥、電磁流量計、壓力變送器、壓力表、單向閥以及球閥等通過管道連接而成。幾乎所有的管路都

有備份回路，當(dāng)正常的工作管路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動會切換至備份回路，保證系統(tǒng)正常運行。

水泵采用多級離心泵，配備兩臺，相互備用。水量通過調(diào)節(jié)變頻器來實現(xiàn)。

電磁流量計用來檢測系統(tǒng)消耗的水量，通過觸摸顯示屏顯示并傳送至PLC。

氣動球閥用來切換相應(yīng)的回路投入工作。

通過切換過濾器前后的球閥，可以在不停機的情況下實現(xiàn)更換和清洗過濾器。

壓力變送器用來檢測壓力并向控制器傳送壓力信號，參與噴霧控制，通過檢測水泵出口壓力來判斷供水是否正常，防止水泵干運轉(zhuǎn)。

溢流（排放）回路連接在水泵的出口處，當(dāng)供水管路壓力超過系統(tǒng)耐壓等級時，泄壓閥打開泄壓，保證系統(tǒng)的安全。本系統(tǒng)的耐壓等級為1.6 MPa。

3.4.3 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)主要由過濾器、壓力調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、氣動球閥、壓力表、單向閥、截止閥和球閥通過管道連接而成。幾乎所有的管路都有備份回路，當(dāng)正常的工作管路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動會切換至備份回路，保證系統(tǒng)正常運行。

根據(jù)雙流體噴槍的工作特點，在正常工作時，氣路的氮氣壓力保持恒定，不需要經(jīng)常調(diào)節(jié)。

在泵站系統(tǒng)停止工作且管道內(nèi)仍然有煤氣通過時，氣路系統(tǒng)通過旁路繼續(xù)供給噴槍低壓的壓縮氮氣（0.02 MPa左右），以防止噴槍被煤氣中的灰塵堵塞。

儀表用氣用于給氣動球閥供氣，主要由過濾器和壓力調(diào)節(jié)閥組成。

3.4.4 泵站

水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和電氣控制柜（視現(xiàn)場需要也可與泵站分離）都集成在一個鋼結(jié)構(gòu)底座上，結(jié)構(gòu)緊湊，便于運輸和安裝。

泵站有五個管道接口，其中兩個管道接口是進(jìn)氣和進(jìn)水，分別連接壓縮氮氣和水源；兩個管道接口是出氣和出水，分別連接噴槍的氣路和水路；還有一個管道接口是溢流（排放）出口，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過一定值或者系統(tǒng)檢修需要將管路里的水排空時，打開溢流出口。

3.4.5 溫度檢測部分在煤氣管道的入口和出口均安裝溫度傳感器：入口溫度傳感器1只，用于監(jiān)視來自上游的煤氣溫度；

出口溫度傳感器2只，用來檢測噴霧降溫后的煤氣溫度；

溫度傳感器采用316L保護(hù)套管，具有很強的耐磨性。

溫度傳感器防爆等級為：EEx dⅡC T4-T6。

3.4.6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)的主要由PLC控制器、觸摸顯示屏、變頻器和其他電器元件等組成。

觸摸顯示屏的操作界面是中文，噴霧系統(tǒng)所有重要的參數(shù)，包括煤氣管道入口和出口溫度、泵站出口氣體和液體壓力、消耗水量等，都可以在觸摸屏上顯示。同時，通過觸摸屏還可以更改相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，比如更改出口期望溫度。

除在現(xiàn)場對系統(tǒng)進(jìn)行操作外，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。跟中控之間的通訊一般采用Profibus-DP總線方式。

3.4.7 系統(tǒng)控制主要要求

控制溫度的調(diào)節(jié)元件是變頻器。當(dāng)檢測到的溫度與設(shè)定溫度不相同時，控制器會通過調(diào)節(jié)變頻器頻率來調(diào)節(jié)水量，從而達(dá)到控制溫度的目的。

泵站系統(tǒng)中配備兩臺水泵，當(dāng)一臺工作時另一臺處于備用狀態(tài)，以防止水泵出現(xiàn)故障影響系統(tǒng)工作。在工作到一定的時間后（默認(rèn)設(shè)定時間為11 h），系統(tǒng)會自動地切換，啟動另一臺水泵工作，使兩臺水泵的運行時間大致相同（相同的磨損）；也可通過柜面按鈕泵1泵2切換按鈕來進(jìn)行彼此的切換。

系統(tǒng)共配備三支溫度傳感器（一體化熱電阻），其中管道入口安裝一支，管道出口安裝兩支來檢測出口煤氣溫度。當(dāng)兩支傳感器中有一支可以正常工作時，系統(tǒng)可以正常工作，一旦出現(xiàn)兩個傳感器同時失效，則系統(tǒng)立即進(jìn)入壓力控制模式運行。

當(dāng)煤氣入口溫度低于設(shè)定溫度時，噴槍不噴水，此時只有氮氣以事先設(shè)定好的壓力供給噴槍以防止灰塵進(jìn)入噴槍，導(dǎo)致堵塞。

4 實際使用效果

高爐煤氣噴霧冷卻系統(tǒng)自2012年投入運行以來，效果良好。溫度控制穩(wěn)定，基本上平時利用前部3支噴槍就能達(dá)到控制溫度的要求，沒有發(fā)生過冷卻后煤氣超溫、氣柜設(shè)備損壞等事故。

5 結(jié)束語

噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一項已經(jīng)成熟的技術(shù)，具有投資少、高效冷卻、快速切換，全自動控制、節(jié)水節(jié)資等顯著優(yōu)點，值得在實際項目中推廣采用。

DesignandApplicationofSprayEvaporativeCoolingSystemforBlastFurnaceGas

ZHU Yatong
(Baosteel Engineering&Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

The application of spray evaporative cooling technology in metallurgical enterprises to cool blast furnace gas is described,related process principles,process features are introduces and practical technical solutions are also provided.

blast furnace gas;spray;evaporative cooling;double-fluid

TQ542.7

B

1006-6764(2014)05-0013-03

2014－02－19

朱亞同（1978-），男，2001年畢業(yè)于同濟大學(xué)供熱空調(diào)及燃?xì)夤こ虒I(yè)，本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事冶金系統(tǒng)燃?xì)鈱I(yè)設(shè)計研究工作。